渠庚 鄭承太 趙占超 尹大聰

摘要：在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)彎曲河道咸因、水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律、河道演化機(jī)制3個(gè)方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了概述。在彎曲河道成因研究中，概述了水沙變化、河床比降等對(duì)彎曲河道形成發(fā)育過(guò)程的影響;在彎曲河道水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律中，概述了水面橫比降、橫向環(huán)流和流速分布以及泥沙的榆移問(wèn)題等對(duì)水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響;在彎曲河道演化機(jī)制中，概述了彎曲河道演化過(guò)程中出現(xiàn)的撇彎切灘現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)以往研究的系統(tǒng)梳理發(fā)現(xiàn)，彎曲河道在形成過(guò)程中受水沙及邊界條件的影響較大，目前對(duì)大尺度彎曲河道形成機(jī)制的影響因素的作用強(qiáng)度及水沙條件變化后彎曲河道非典型演變特性的研究成果較少，為進(jìn)一步闡釋彎曲河道的形成及演變機(jī)制等方面的問(wèn)題，對(duì)彎曲河道的咸因及演變機(jī)制研究進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：河道演變，彎曲河道，環(huán)流，榆沙帶，泥沙分選，撇彎切灘

中圖法分類號(hào)：TV147文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.02.003

彎曲河流廣泛存在于各大河流之中，它具有兩個(gè)典型的特點(diǎn)：迂回曲折的外形和蜿蜒蠕動(dòng)的動(dòng)態(tài)特征。在自然界變化萬(wàn)千的河床形態(tài)中，這類河流是分布最為廣泛的。有相關(guān)的統(tǒng)計(jì)資料表明，無(wú)論河流尺度大?。ú煌訉捄头植挤秶€是地處山區(qū)或者平原，河流均可發(fā)育成彎曲河流，自然界幾乎不存在長(zhǎng)度超過(guò)10倍河寬的順直河段?？v觀世界大江大河，如美國(guó)的紅河（Red River）、阿巴拉契科拉（Apalachieolo）河、密西西比（Mississippi）河，加拿大的斯闊米什（Squamish）河、比頓（Beatton）河、勞倫斯（Lawrence）河，瑞典的克拉爾（Klaralven）河以及我國(guó)海河流域的南運(yùn)河，淮河流域的汝河、沙河和潁河，黃河流域的渭河，長(zhǎng)江流域的漢江下游河段和下荊江河段等，都是典型的彎曲河流，其中我國(guó)長(zhǎng)江下荊江河段有“九曲回腸”之稱。

開(kāi)展彎曲河道成因及其演化機(jī)制研究可為河道治理、港口興建、引水防沙、改善航運(yùn)等方面提供技術(shù)支撐。蜿蜒河流的長(zhǎng)期演變規(guī)律、河流地形沉積問(wèn)題等課題一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。自20世紀(jì)30年代起，眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)野外觀測(cè)研究、物理模型試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬等方法對(duì)彎曲河道的形成條件、水沙運(yùn)動(dòng)特性及演變規(guī)律等進(jìn)行了大量的研究工作，取得了豐富的研究成果。但鑒于彎曲河流演變的復(fù)雜性，為下一步深入開(kāi)展彎曲河道形成機(jī)制及水沙變化條件下河道演變特性研究，有必要對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)梳理。

1 彎曲河道成因研究

在自然狀態(tài)下，彎曲河流的橫向遷移是一個(gè)緩慢的漸變過(guò)程，時(shí)間尺度較長(zhǎng)，而在自然裁彎發(fā)生時(shí)，又是一個(gè)快速發(fā)展的過(guò)程，時(shí)間尺度較短，這使得在野外對(duì)其全演變周期進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)有很大的難度。鑒于此，眾多學(xué)者采用了在室內(nèi)水槽塑造彎曲河道的方法對(duì)其形成和演變過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)研究工作。實(shí)踐情況表明，通過(guò)室內(nèi)水槽來(lái)塑造出彎曲度較高且形態(tài)相對(duì)穩(wěn)定的彎曲河道，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)方面仍然具有較大難度，難以全面解釋彎曲河道的形成機(jī)制。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)室內(nèi)水槽試驗(yàn)，探究了不同因素對(duì)河道發(fā)育過(guò)程的影響，取得的主要成果見(jiàn)表1。

從已有的研究成果來(lái)看，彎曲河道形成的影響因素可分為以下幾類：水流因素、泥沙因素、河床底坡因素、植物因素和其他因素。

1.1水流因素

水流作用因素主要與水流流速大小、變幅、方向和水流在彎道的進(jìn)口條件有關(guān)。J.F.Friedkin試驗(yàn)表明，不同的有效流量條件都有與之相適應(yīng)的不同彎曲河道。尹學(xué)良試驗(yàn)表明，在恒定流時(shí)，河道在發(fā)育過(guò)程中一般不會(huì)有高灘出現(xiàn)，難以形成彎曲河道。洪笑天認(rèn)為，要塑造出彎曲形態(tài)理想、發(fā)育良好的彎曲河道，需要有洪、中、枯不同流量級(jí)的交替沖淤作用。C.A.Braudrickt、F.Visconti和洪笑天的研究有類似的現(xiàn)象。C.A.Braudrick認(rèn)為在彎曲河道的塑造過(guò)程中，需要流量的變化，而在彎道塑造成形后，不再需要流量的變化;F.Visconti認(rèn)為變化的流量更容易塑造出彎曲河道。關(guān)于上游來(lái)流的進(jìn)口條件對(duì)下游河道發(fā)育過(guò)程的影響情況，諸多學(xué)者持有不同的觀點(diǎn)。J.F.Friedkin認(rèn)為上游來(lái)流的入射角對(duì)于彎道的形狀和尺寸具有關(guān)鍵影響，實(shí)驗(yàn)室塑造出的彎道形狀和尺寸由流量、比降和進(jìn)口水流入射角共同決定。尹學(xué)良則認(rèn)為，上游來(lái)流的進(jìn)口條件對(duì)下游河道的發(fā)育過(guò)程影響很小。張俊勇研究與J.F.Friedkin較為一致，表明上游來(lái)流進(jìn)口條件對(duì)彎道的形成有重要的影響，其影響程度與河床條件有關(guān)，要塑造出彎曲河道，上游來(lái)流人流角需大于O°。Van Dijk認(rèn)為上游的擾動(dòng)和河漫灘的形成，是彎曲河道形成和維持的重要條件。

1.2 泥沙因素

泥沙作用因素的不同，主要取決于進(jìn)口泥沙級(jí)配、床沙組成等。J.F.Friedkin實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，要成功塑造出彎曲河道，床沙組成中至少要含有30%的細(xì)顆粒泥沙。E.C.Smith通過(guò)實(shí)驗(yàn)成功塑造了彎曲度達(dá)到2.0的彎曲河道，其研究表明，添加足夠的低密度細(xì)顆粒材料，可以成功塑造出高度彎曲的自然小河。J.Peakall和K.P.Dulal實(shí)驗(yàn)表明塑造彎曲河道必須要有足夠的黏性物質(zhì)，且認(rèn)為細(xì)顆粒泥沙就能產(chǎn)生足夠的黏性作用。K.P.Dulal認(rèn)為黏性物質(zhì)含量達(dá)到20%即可形成中、高度彎曲的河道。在VanDijk實(shí)驗(yàn)中，持續(xù)加入了含量為25%的黏性物質(zhì)，成功地塑造出了彎曲河道，證實(shí)了K.P.Dulal的觀點(diǎn)。C.A.Braudrick實(shí)驗(yàn)表明，細(xì)顆粒泥沙在某些特殊部位（如凸岸邊灘上游、凸岸邊灘彎頂下游）的淤積作用，可以維持凸岸的增長(zhǎng)，這對(duì)于彎曲河道的形成至關(guān)重要。尹學(xué)良實(shí)驗(yàn)表明，細(xì)顆粒泥沙對(duì)于彎道形成過(guò)程的作用明顯，在大水期間加入細(xì)顆粒懸移質(zhì)所塑造出來(lái)的彎道與天然彎曲河道特征較為相似，若未加入細(xì)顆粒懸移質(zhì)，則易形成游蕩型河道。洪笑天研究則表明，能否形成彎曲河道，與河道內(nèi)泥沙的運(yùn)動(dòng)形式有關(guān)，若河道內(nèi)泥沙運(yùn)動(dòng)以推移質(zhì)形式運(yùn)動(dòng)為主，則難形成彎曲河道，若以懸移質(zhì)形式運(yùn)動(dòng)為主，則有可能形成彎曲河道。張瑞瑾認(rèn)為，形成彎曲河道的有利條件有：①河谷較寬廣，河流有回旋的余地;②河岸較低且多為二元結(jié)構(gòu)，其表層多為黏土或黏壤土，不易沖刷，而底層多為沙土，較易沖刷。

1.3 河床底坡因素

河床底坡因素不同，主要包括河床的橫、縱底坡情況。J.F.Fd。dkin認(rèn)為，比降的增大，同增大流量的作用效果相似。尹學(xué)良認(rèn)為，河床的底坡會(huì)影響水流的輸沙能力，縱底坡不同，水流的造床作用也就不同，要塑造出彎曲河道，河床的比降應(yīng)該處于一個(gè)合適的范圍（介于形成單股無(wú)汊和發(fā)生淤積的比降之間）。洪笑天認(rèn)為，河床的橫縱底坡對(duì)塑造彎曲河道存在影響，不宜過(guò)大或過(guò)小。E.C.Schumm的研究表明，在同流量條件下，順直河道的底坡坡度一般大于彎曲河道，底坡坡度的不同會(huì)導(dǎo)致河型的差異。E.C.Smith的研究則表明，要塑造出彎曲河道，要有一定的縱向底坡，恰當(dāng)?shù)牡灼轮饕Q于河床材質(zhì)，河床材質(zhì)存在差異，相應(yīng)的較適宜的縱底坡范圍隨之變化。

1.4 植物因素

以往研究表明，植物因素對(duì)河流演化的影響作用主要在于：增強(qiáng)了泥沙的抗剪和抗拉強(qiáng)度，增強(qiáng)了河岸的穩(wěn)定性，植物阻力作用減小了近岸流速，抑制了河岸的崩塌，在一定程度上增加了河道的穩(wěn)定性，使得河道向窄深發(fā)展。有關(guān)學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了大量研究，并取得了一定的認(rèn)識(shí)。K.Gran研究表明，河道植物可改變河道水流的方向并影響河道形態(tài)，其影響程度與植被的密度有關(guān)。M.Tal研究表明，植被的存在可減小河道展寬速率并阻止發(fā)生彎道裁彎，使彎曲河道凹凸岸沖淤相對(duì)平衡。M.ChurCh認(rèn)為，植物只是河道發(fā)育過(guò)程中的附加因素而非控制性因素，控制因素仍然是水沙因素。J.Peakdll也認(rèn)為對(duì)于彎曲河道的成功塑造，植物作用并不是必要因素，只要有細(xì)顆粒泥沙能產(chǎn)生足夠的黏性即可。

1.5 其他因素

其他因素主要指人為因素及河道邊界條件影響，常見(jiàn)的有護(hù)岸護(hù)灘工程和整流建筑物。這些人為因素對(duì)于河道演變過(guò)程有顯著的影響，可以較大程度地改變水流結(jié)構(gòu)，控制河勢(shì)，穩(wěn)定岸線，使得河道格局不再發(fā)生較為明顯的變化。從河床邊界條件來(lái)看，河道中存在的天然磯頭、河床河岸的分層組成結(jié)構(gòu)、河谷的寬廣程度，均對(duì)河道演變過(guò)程有一定程度的影響。

2 彎曲河道水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究

彎曲河道水沙運(yùn)動(dòng)與彎曲河道河床演變、河道整治等關(guān)系密切，對(duì)此，有關(guān)學(xué)者開(kāi)展了大量研究工作，取得不少有意義的成果，主要分為兩個(gè)方面，即彎曲河道水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律和泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2.1彎曲河道水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律

從已有的研究成果來(lái)看，關(guān)于彎曲河道水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究主要可以分為三大方面：彎道水面橫比降問(wèn)題、橫向環(huán)流問(wèn)題及彎道流速分布問(wèn)題。諸多學(xué)者提出了理論計(jì)算公式，研究成果匯總見(jiàn)表2-4。

2.2 彎曲河道泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律

從已有的研究成果來(lái)看，關(guān)于彎曲河道泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，主要包括泥沙的起動(dòng)流速、泥沙輸移、推移質(zhì)輸沙帶和泥沙分選等問(wèn)題。

2.2.1 彎曲河道的泥沙起動(dòng)流速

關(guān)于泥沙起動(dòng)流速的計(jì)算，自20世紀(jì)60年代起，就有諸多學(xué)者經(jīng)過(guò)大量的研究得出了形式不一的計(jì)算公式，如竇國(guó)仁公式、張瑞瑾公式、唐存本公式、沙玉清公式和韓其為公式等，這些成果對(duì)其后的理論研究均有很大影響。彎曲河道的泥沙起動(dòng)由于受到橫向環(huán)流的影響，其起動(dòng)所需的近底流速不同于一般的順直河道。本文列出了張紅武“和王平義提出的適用于彎曲河道泥沙起動(dòng)流速計(jì)算的公式，見(jiàn)表5。

2.2.2 彎曲河道泥沙榆移問(wèn)題

彎曲河道的泥沙輸移問(wèn)題，主要可以概括為泥沙的橫向輸移問(wèn)題、推移質(zhì)輸沙帶問(wèn)題和泥沙分選問(wèn)題。

彎曲河道泥沙的橫向輸移是在環(huán)流的作用下產(chǎn)生的。在彎道環(huán)流作用下，環(huán)流上部的泥沙運(yùn)動(dòng)至凹岸，環(huán)流下部的泥沙運(yùn)動(dòng)至凸岸，由于含沙量沿垂線分布是不均勻的，彎道橫向輸沙與水體的橫向封閉流動(dòng)不同，橫向輸沙是不平衡的。關(guān)于彎道橫向輸沙的計(jì)算，丁君松、孫東坡和李志威等做了一些有價(jià)值的研究。

彎道橫向輸沙與含沙量和橫向流速沿垂線分布的情況有關(guān)。丁君松根據(jù)羅佐夫斯基的橫向流速公式，再結(jié)合張瑞瑾提出的沿垂線分布的含沙量公式（也可以是從擴(kuò)散理論求得的公式），導(dǎo)出了單位寬度內(nèi)的橫向輸沙率公式：

孫東坡對(duì)其導(dǎo)出的環(huán)流流速公式加以修正后，導(dǎo)出了與丁君松類似的單位寬度內(nèi)橫向輸沙率公式：

彎道推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)有四大顯著特點(diǎn)：①推移質(zhì)的同岸輸移大于異岸輸移;②輸沙成帶，推移質(zhì)在橫向斷面分布并不遍布整個(gè)河寬，而是集中成一個(gè)或兩個(gè)條帶向下游輸移，主輸沙帶位于凸岸邊灘一側(cè);③形成橫向底坡;④出現(xiàn)橫向床沙分選。對(duì)彎曲河道推移質(zhì)輸沙帶進(jìn)行精確預(yù)報(bào)，具有極其重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。蔡金德和王平義依據(jù)弗勞德數(shù)最大的位置即為強(qiáng)烈輸沙帶所在的位置，導(dǎo)出了彎曲河道內(nèi)強(qiáng)烈輸沙帶的曲線方程：

彎道泥沙分選是指泥沙在橫向輸移過(guò)程中，受到彎道環(huán)流的影響，致使彎道凹、凸岸泥沙和邊灘上、下游部分泥沙粗細(xì)不一。許棟對(duì)諸多學(xué)者關(guān)于泥沙分選現(xiàn)象的研究情況進(jìn)行了概述，見(jiàn)表6。

此外，關(guān)于泥沙分選的問(wèn)題，楊樹(shù)青的研究發(fā)現(xiàn)，隨著凹岸沖刷和凸岸淤積，粗顆粒泥沙逐漸淤積到凸岸，細(xì)顆粒泥沙則隨水流主流線不斷向前運(yùn)動(dòng)，凹岸泥沙逐漸變細(xì)，且細(xì)顆粒分布帶與水流動(dòng)力軸線分布基本一致。縱觀前人已有的研究成果，尚無(wú)一個(gè)完整的理論體系將引起泥沙分選的所有因素考慮進(jìn)去，彎道泥沙分選問(wèn)題有待更進(jìn)一步地深入研究。

3 彎曲河道演變規(guī)律研究

彎曲河道演變規(guī)律主要包括河道床面形態(tài)變化規(guī)律和河灣的橫向擺動(dòng)規(guī)律。本文在以往研究的基礎(chǔ)之上，對(duì)目前大尺度彎曲河道在演變過(guò)程中出現(xiàn)撇彎切灘現(xiàn)象進(jìn)行了梳理。

撇彎是指主流撇開(kāi)凹岸深泓，改走河槽中部或凸岸邊灘，形成新的深泓并造成原凹岸深泓的淤積。切灘是指在一個(gè)彎道內(nèi)，主流拋開(kāi)凹岸，改走凸岸，將凸岸邊灘沖開(kāi)，形成新的深泓。

談廣鳴在對(duì)監(jiān)利河段切灘演變進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)是下游上車灣裁彎引起了上游監(jiān)利河段的裁彎，這與水流與河床的相互作用過(guò)程中一般是上游對(duì)下游影響較大的規(guī)律不同。通過(guò)室內(nèi)概化試驗(yàn)對(duì)產(chǎn)生切灘的原因和條件進(jìn)行了分析，認(rèn)為只有在上下游水流條件發(fā)生較大變化時(shí)，才有可能引起本河段主流向凸岸大幅度擺動(dòng)，進(jìn)而引起灘面劇烈沖刷而切灘。談廣鳴在對(duì)黃莊至澤口河段撇彎切灘演變?cè)虻姆治鲋?，又進(jìn)一步分析了流量級(jí)變化、洪水流量過(guò)程改變和來(lái)沙條件變化對(duì)撇彎切灘的影響。張俊勇對(duì)丹江口水庫(kù)建成后下游的撇彎切灘現(xiàn)象進(jìn)行了初步分析，認(rèn)為變化的水流條件是產(chǎn)生撇彎切灘的重要原因之一，撇彎切灘的實(shí)質(zhì)是河道向最佳彎道形態(tài)調(diào)整的過(guò)程。覃蓮超以漢江中下游相關(guān)實(shí)測(cè)資料，研究了水流動(dòng)力軸線變化與切灘撇彎之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)河灣的水流動(dòng)力軸線彎曲半徑R₀與河灣的彎曲半徑R的比值大于1.0時(shí)，河灣就有可能發(fā)生切灘撇彎，當(dāng)該比值小于或等于1.0時(shí)，一般不會(huì)發(fā)生切灘撇彎;并認(rèn)為水流條件改變及河勢(shì)的變化會(huì)造成河灣形態(tài)與水流動(dòng)力軸線走向變化，從而引起切灘撇彎。李寧波對(duì)長(zhǎng)江荊江段七弓嶺彎道主流撇彎的原因進(jìn)行了探究，研究表明七弓嶺彎道主流撇彎主要和來(lái)水來(lái)沙量及其過(guò)程、河道型態(tài)及河床地質(zhì)、江湖關(guān)系等因素有關(guān)。

4 結(jié)論及展望

通過(guò)梳理以往研究成果，對(duì)彎曲河道相關(guān)的基礎(chǔ)研究取得了一定的認(rèn)識(shí)。以往研究從宏觀角度出發(fā)，探索了彎曲河道成因，描述了彎曲河道演變規(guī)律的影響因素，發(fā)現(xiàn)水沙條件及邊界變化是引起撇彎切灘的主要原因，但對(duì)于各個(gè)影響因素在彎曲河道形成及演變過(guò)程中的影響程度仍未取得一致性認(rèn)識(shí)。此外，影響彎曲河道演變的因素有很多，如水沙條件、地質(zhì)地形條件及人為因素，以往關(guān)于河道演變相關(guān)規(guī)律的研究，大多處于定性描述的層面而難以實(shí)現(xiàn)定量的分析。對(duì)于數(shù)值模擬的方法，是在進(jìn)行大量簡(jiǎn)化近似之后的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因而數(shù)模計(jì)算的結(jié)果，往往存在一定程度的誤差，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)河道演變的長(zhǎng)期精準(zhǔn)預(yù)測(cè);對(duì)于物理模型還未能做到充分的相似，在開(kāi)展彎曲河道研究中存在局限。

因此，關(guān)于河道演變，要實(shí)現(xiàn)對(duì)各影響因素所起到的作用強(qiáng)度的定量分析，應(yīng)加強(qiáng)各影響因素與河道演變之間復(fù)雜的耦合關(guān)系研究，增加對(duì)新的水沙及邊界條件下天然彎曲河道的水沙運(yùn)動(dòng)特性的研究，重新確定以往理論成果的適應(yīng)條件。應(yīng)增加大尺度河流原型觀測(cè)，采用大量實(shí)測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，提高模擬精確性。